Les assemblages tubulaires soudés présentent des discontinuités structurales importantes et conduisent à de fortes concentrations de contraintes dans les zones d’intersection des tubes métalliques. Sous un chargement quasi-statique excessif, le voisinage du cordon de soudure pourrait être plastifié avec le risque de l’effondrement brusque de la structure. Ainsi, la présente étude consiste à : - étudier l’évolution du coefficient de concentration de contraintes autour des cordons de soudure liant l'entretoise et le manchon pour déterminer les points chauds. - comparer l’amplitude de ce coefficient autour du pied de cordon d’une jonction de forme T à entretoises circulaires avec celui d’une structure à entretoise elliptique. - comparer les réponses élasto-plastiques des deux structures vis-à-vis des sollicitations extérieures. Pour se faire, on a utilisé les logiciels Patran et Nastran

BOUSSHINE, Lahbib

EL MASKAOUI, Zakaria

JALAL SALAH, Eddine

I-Revues

21ème Congrès Français de Mécanique                                                                  Bordeaux, 26 au 30 août 2013 
  1
Etude numérique des comportements mécaniques des 
jonctions tubulaires soudées de forme T de sections circulaire 
et elliptique 
S. JALALa, L. BOUSSHINEb, Z. EL MASKAOUIc, A. MJIDILAd 
a.b.c.d. Laboratoire de Technologie de Construction et des Systèmes Industriels (LTCSI), Ecole Nationale 
Supérieure d’Electricité et de Mécanique, BP 8118, Oasis, Casablanca 
Résumé : 
L’objectif de ce travail, c’est d’analyser numériquement le comportement élastique et élasto-plastique de 
trois jonctions tubulaires soudés de forme T à sections d’entretoises différentes. Une à entretoise circulaire 
et les deux autres sont à entretoises elliptiques disposées différemment, une longitudinale et l’autre 
transversale. L’étude élastique consiste à comparer, dans trois cas de charges, l’évolution de la contrainte 
géométrique autour de du pied de cordon de soudure pour les trois jonctions. Pour l’étude élasto-plastique, 
les charges limites de ces mêmes jonctions ont été comparées pour chaque cas de charge. Afin de faciliter les 
interprétations, les résultats sont présentés sous forme graphique. Les simulations numériques sont réalisés 
à l’aide des logiciels Patran et Nastran. 
Abstract :  
The strength of T-tubular joints with elliptical and circular cross-section tube braces with circular cross-
section chords has been investigated. The aim of this work is to analyze numerically the elastic and elasto-
plastic behaviors for three types of tubular T-joints. The first has a circular cross-section. The other braces 
have elliptical cross-sections with longitudinal and transverse dispositions. In the elastic study, the 
geometric stress around the weld toe for all joint has been compared in three load cases. In elasto-plastic 
study, the limit loads for the same tubular joints has been compared for each load case. The results are 
presented in graphical form for to facilitate interpretations. The numerical simulations are carried using 
Patran and Nastran software. 
Mots clefs : Jonction Tubulaire, Section Circulaire, Section Elliptique, Elasticité, Elasto-plasticité, 
Point Chaud, Zone Chaude, Charge Limite 
1 Introduction 
Les assemblages tubulaires soudés trouvent leurs applications dans plusieurs domaines de construction 
mécanique. On cite notamment les canalisations d’eau, les tripodes, les pylônes de télécommunication, les 
passerelles et les supports des plateformes offshore de type Jacket. Ces supports sont constitués 
principalement d’un ensemble d’éléments structuraux soudés entre eux, en formant des jonctions tubulaires 
soudées de différentes configurations géométriques (T, Y, K, KT, DT, DY, DK, DKT, …). Dans la majorité 
des cas, les éléments structuraux sont des tubes à sections circulaires. D’où l’idée de comparer les réponses 
élastiques et élasto-plastiques de ces types de jonctions avec celles à entretoise de section elliptique. 
Plusieurs études ont été abordées pour analyser le comportement des jonctions tubulaires soudées. Dans [1], 
Ghanameh et al. ont réalisé des simulations numériques pour évaluer l’évolution de la contrainte locale au 
voisinage des cordons de soudure liant les manchons et les entretoises. Ceci est réalisé pour plusieurs types 
de jonctions planaires à sections circulaires sous chargement combiné. Lee [2] a étudié, d’une part, les 
jonctions de formes T et Y sous chargement TRA, FDP et FHP, et d’autre part, les jonctions de formes K et 
DT sous chargements équilibrés. Soh et al. [3] ont étudié également les jonctions de formes DT, K et KT 
sous trois types de chargements équilibrés. Dans [4], une étude comparative des comportements élastique et 
élasto-plastique pour les jonctions de formes T, Y, DT et DY a été réalisée. Cette étude a démontré que les 
jonctions à entretoises inclinées sont plus robustes que celles à entretoises perpendiculaires. Ceci est valable 
21ème Congrès Français de Mécanique                                                                  Bordeaux, 26 au 30 août 2013 
  2
pour l’étude élastique et l’analyse limite plastique. Dans [5], une analyse de l’influence des paramètres 
géométriques sur le coefficient de concentration de contrainte a été réalisée. Cette étude a été effectuée pour 
des jonctions tubulaires de forme KT à sections circulaires mais avec raidisseurs internes. Dans ce travail, on 
a remarqué que les auteurs ont introduit un nouveau paramètre adimensionnel qui est directement 
proportionnel avec la profondeur des raidisseurs. Cette étude de simulation numérique, dont le maillage a été 
validé expérimentalement, a démontré que le CCC diminue avec l’augmentation de ce nouveau paramètre. 
2 Choix des jonctions et conditions aux limites 
Trois éprouvettes de forme T nommées T1, T2 et T3 vont être étudiées dans ce travail. Elles possèdent des 
manchons identiques à section circulaire. T1 a une entretoise de section circulaire, T2 et T3 ont des entretoises 
à sections elliptiques de mêmes dimensions mais elles sont disposées différemment (figure 8). 
Pour chaque éprouvette, trois cas de charge vont être traités, la traction (TRA), la flexion dans le plan (FDP) 
et la flexion hors plan (FHP). Les chargements vont être appliqués aux extrémités libres des entretoises. Les 
extrémités des manchons sont, tout le temps, encastrées. 
 
FIG. 1 – Maillages des éprouvettes avec des éléments coques minces de type quadrilatère à quatre nœuds : 
 (a) Jonction T1, (b) Jonction T2, (c) Jonction T3  
Le maillage est réalisé à l’aide du logiciel Patran, tandis que le post-traitement est traité à l’aide du logiciel 
Nastran106. Pour les trois types de jonctions, le voisinage du cordon de soudure est subdivisé en 96 éléments 
finis pour pouvoir prélever le maximum des valeurs de contrainte le long du cordon (figure 1). 
Le matériau choisi pour cette étude est l’acier de construction de module d’Young 2.1x105MPa, de limite 
élastique 240MPa et de coefficient de poisson 0.33. Pour l’étude élasto-plastique dans laquelle on 
déterminera les charges limites, le matériau aura un comportement élastique parfaitement plastique. 
3 Réponses élastiques des jonctions 
Les Trois éprouvettes T1, T2 et T3 sont soumises indépendamment à trois types de chargements extérieurs, 
TRA, FDP et FHP. Pour chaque type de chargement, on présentera, dans le même graphe, l’évolution de la 
contrainte locale σL en fonction de l’angle ψ. Ceci pour les trois jonctions.  
3.1 Chargement de la traction 
Dans le cas du chargement TRA, une force de 104N est  appliquée à l’extrémité libre de l’entretoise. Pour les 
trois types de jonctions étudiées, on remarque que le point chaud est localisé au niveau du point d’Arçon 
avec une contrainte équivalente de von Mises de 194MPa, 185MPa et 208MPa pour T1, T2 et T3 
21ème Congrès Français de Mécanique                                                                  Bordeaux, 26 au 30 août 2013 
  3
respectivement. On remarque qu’au voisinage du point de Quartier, c’est la jonction T3 qui présente la 
contrainte locale la plus importante (figure 2). Mais, à part le point de Quartier, c’est la contrainte locale 
relative à la jonction T2 qui prédomine. On remarque aussi que le point le moins sollicité est le point d’Arçon, 
ceci pour les trois types de jonctions. 
 
FIG. 2 – Evolution de la contrainte locale autour du pied de cordon de soudure suite à un effort de traction de 
10kN appliqué à l’extrémité de l’entretoise 
3.2 Chargement de la flexion dans le plan 
Dans ce cas de charge, un effort de flexion dans le plan est appliqué à l’extrémité libre de l’entretoise. 
Comme dans le cas de la traction, la courbe relative à la jonction T1 est toujours située entre celles des 
jonctions T2 et T3. Mais au voisinage du point d’Arçon, les courbes relatives aux jonctions T1 et T3 sont 
presque confondues i.e. On remarque aussi que le point d’Arçon et son voisinage présentent une zone chaude 
pour les trois éprouvettes avec une prédominance de T2 qui admet une contrainte maximale de  216MPa. 
Celle des jonctions T1 et T3 ne dépassent pas 189MPa (figure 3). Inversement de ce qui a été remarqué dans 
le cas de la traction, c’est la contrainte de T2 qui prédomine dans la zone chaude. Loin de cette zone, la 
contrainte géométrique de la jonction T3 est la plus grande. 
 
FIG. 3 – Evolution de la contrainte locale autour du pied de cordon de soudure suite à un effort de FDP de 
2.5kN appliqué à l’extrémité de l’entretoise 
3.3 Chargement de la flexion hors plan 
Les jonctions sont sollicitées avec un effort extérieur de 1kN appliqué à l’extrémité libre de l’entretoise 
perpendiculairement au plan de l’éprouvette. On remarque que les points chauds sont localisés au niveau du 
point de Quartier, pour les trois éprouvettes, comme dans le cas de la traction. On remarque aussi que la 
contrainte locale de la jonction T1 est comprise entre celle des jonctions T2 et T3 avec une prédominance de 
T2 sur tout le cordon de soudure. Les jonctions T1 et T3 ont presque la même valeur de la contrainte locale au 
niveau du point chaud (Quartier dans ce cas) qui est égale à 212MPa. Au niveau du point d’Arçon, les trois 
21ème Congrès Français de Mécanique                                                                  Bordeaux, 26 au 30 août 2013 
  4
éprouvettes ont presque la même valeur de la contrainte géométrique (locale) qui est de l’ordre de 13MPa 
(figure 4). 
 
FIG. 4 – Evolution de la contrainte locale autour du pied de cordon de soudure dans le cas d’un effort de 
FHP de 1kN appliqué à l’extrémité de l’entretoise 
4 Réponses élasto-plastique des jonctions 
L’objectif du travail suivant, c’est prélever la force appliquée à l’extrémité de l’entretoise en fonction du 
déplacement. Ceci va être effectué dans trios cas de charge, TRA, FDP et FHP pour chaque éprouvette. Pour 
faciliter la comparaison, les résultats vont être exposés graphiquement. La première remarque qu’on peut 
faire c’est que toutes les courbes tendent vers une charge limite quel que soit le chargement et quelle que soit 
la nature de la jonction. 
4.1 Chargement de la traction 
Dans ce cas de charge, on remarque que la courbe relative à la jonction T1 est située entre les deux autres 
courbes avec une prédominance de celle qui correspond à la jonction T3. On remarque aussi que la charge 
limite de la jonction de la forme T1 est égale à 87kN tandis que celles des jonctions T2 et T3 sont égales à 
74kN et 93kN respectivement (figure 5). 
 
FIG. 5 – Variation de l’effort de traction en fonction du déplacement de l’extrémité de l’entretoise 
4.2 Chargement de la flexion dans le plan 
Dans le cas de la flexion dans le plan, on remarque que les jonctions T1 et T2 ont la même réponse élasto-
plastique, i.e. elles ont la même charge limite qui est égale à 11kN. Cette valeur est supérieure à celle 
enregistrée pour la jonction T3 qui est égale à 9.8kN (figure 6). 
21ème Congrès Français de Mécanique                                                                  Bordeaux, 26 au 30 août 2013 
  5
 
FIG. 6 – Variation de l’effort FDP en fonction du déplacement de l’extrémité de l’entretoise 
4.3 Chargement de la flexion hors plan 
La réponse élasto-plastique dans ce cas de charge est semblable à celle du cas de la traction, i.e. la courbe 
relative à la jonction T1 est comprise entre celle des jonctions T1 et T3 avec une prédominance de cette 
dernière. Les charges limites des jonctions T1, T2 et T3 sont égales à 5kN, 6.8kN et 8.8kN respectivement 
(figure 7). 
 
FIG. 7 – Variation de l’effort FHP en fonction du déplacement de l’extrémité de l’entretoise 
5 Conclusions 
L’étude du comportement élastique des trois jonctions T1, T2 et T3 a conduit aux conclusions suivantes : 
- Dans les cas de charge TRA et FHP, quelle que soit la forme de la section droite de l’entretoise, le point 
chaud est situé au niveau du point de Quartier. 
- Dans le cas de charge FDP, les zones chaudes coïncident avec le point d’Arçon et son voisinage quel que 
soit le type de la section droite de l’entretoise. 
- Les jonctions à entretoise circulaire et celle à entretoise elliptique longitudinale ont le même coefficient de 
concentration de contrainte vis-à-vis du chargement FDP. 
- Le long du pied de cordon de soudure, la contrainte géométrique de la jonction à entretoise circulaire est 
comprise entre celles à entretoises elliptiques longitudinale et transversale pour tous types de chargement. 
L’étude du comportement élasto-plastique des jonctions T1, T2 et T3 a conduit aux conclusions suivantes. 
- Pour les chargements TRA et FHP, La charge limite de la jonction a entretoise circulaire est comprise entre 
celles des jonctions à entretoises elliptiques longitudinale et transversale. 
21ème Congrès Français de Mécanique                                                                  Bordeaux, 26 au 30 août 2013 
  6
- Les jonctions à entretoise circulaire et elliptique longitudinale ont la même charge limite vis-à-vis du 
chargement FDP. 
- Pour toutes les jonctions et pour tous les cas de charge, la charge limite dans le cas de FDP est plus 
importante que celle du cas de FHP. 
References 
[1] Ghanameh M. F., Thevenet D., Zeghloul A., Evaluation of stress concentration for planar tubular joints, 
16, 1-10, 1982. 
[2] Lee M. M. K., Estimation of stress concentrations in single-sided welds in offshore tubular joints, 
International Journal of Fatigue, 21, 895-908, 1999. 
[3] Soh A. K., Soh C. K., ‘Hot spot’ stresses of K tubular joints subjected to combined loading, Journal of 
Constructional Steel Reshearch, 26, 125-140, 1993. 
[4] Jalal S. Bousshine L., Elastoplastic behaviour of T, Y, DT and DY-tubular joints under axial loading, 
Journal of Mechanical and Civil Engineering, 4, 19-25, 2012. 
[5] Ahmadi H., Lotfollahi-Yaghin M. A., Yong-Bo S., Aminfar M. H., Parametric study and formulation of 
outer-brace geometric stress concentration factors in internally ring-stiffened tubular KT-joints of offshore 
structures, Applied Ocean Research, 38, 74-91, 2012. 
Notations 
 
FIG. 8 – Jonctions de forme T : (a) Jonction à entretoise circulaire T1, (b) Jonction à entretoise elliptique 
longitudinale T2, (c) Jonction à entretoise elliptique transversale T3. 
TRA : Traction. FDP : Flexion dans le plan. FHP : Flexion hors plan. 
D : Diamètre extérieur du manchon. 
d : Diamètre extérieur de l’entretoise. 
T : Epaisseur du manchon. 
t : Epaisseur de l’entretoise. 
L : Longueur du manchon. 
l : Longueur de l’entretoise. 
ψ : L’angle qui oriente le cordon de soudure compté à partir du point d’Arçon. 


Étude numérique des comportements mécaniques des jonctions tubulaires soudées de forme T de sections circulaire et elliptique

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

I-Revues